氧氣傳感器退化判斷裝置的製作方法

2023-10-17 19:20:34

專利名稱：氧氣傳感器退化判斷裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種例如用於氧氣傳感器的退化判斷裝置，該退化判 斷裝置判斷形成用於內燃機的空氣燃料比控制的氧氣傳感器的固體 電解質層的退化。
背景技術：
作為傳統氧氣傳感器，已知這樣的氧氣傳感器，其中所述氧氣傳 感器具有參考電極和測量電極，所述參考電極和測量電極在它們之間 保持有固體電解質層，在電壓施加到參考電極和測量電極之間並且控
制所述電極之間的氧氣分壓的條件下，所述氧氣傳感器通過測量兩電 極之間的電壓而測量氧氣濃度。
利用這種氧氣傳感器，空氣燃料比u)的濃(很少氧氣，很多 燃料)/稀(很多氧氣，很少燃料)基於氧氣濃度的測量結果來判斷， 由此控制內燃機的空氣燃料比。
在傳統技術中，氧氣傳感器的退化從氧氣傳感器的內部組合或總 阻抗判斷，其是通過向氧氣傳感器施加特定電壓基於氧氣傳感器輸出 電壓的變化量來計算的(例如，參見專利公開l)。
專利公開1:日本專利申請KoKai公開No.4-233447。

發明內容
本發明解決的技術問題
然而，在傳統的退化判斷方式中，由於測量了氧氣傳感器的內部 總阻抗，因此不能夠確定形成氧氣傳感器的固體電解質層的退化。
由此，通過傳統的退化判斷方式，存在氧氣傳感器將被判斷為被 激活(-處於正常狀態)的危險，而不管氧氣傳感器的輸出值變大的
事實，所述氧氣傳感器的輸出值變大的原因如下因為固體電解質層 經受由於留在排出氣中的Si導致的催化劑中毒，然後固體電解質層的 內阻值增加(劣化)，或者因為固體電解質層的內阻值由於固體電解 質層的溫度沒有快速增加而難以降低。也就是說，儘管是稀的狀態， 該狀態卻被判斷為濃的狀態，因此這可能導致發動機失速或排放故 障。
本發明已經被提出以便解決上述問題，並且本發明的目的是提供 一種用於氧氣傳感器的退化判斷裝置，該退化判斷裝置能夠精確地判 斷固體電解質層的退化。
解決所述問題的技術手段
為了實現上述目，在權利要求l描述的發明中，退化判斷裝置具
體地具有控制單元，該控制單元通過在參考和測量電極之間施加高頻
交流電而檢測固體電解質層的內阻值，並且通過比較檢測到的電阻值 和參考值判斷固體電解質層的退化。
由於根據本發明的氧氣傳感器的退化判斷裝置根據固體電解質 層的內阻值判斷固體電解質層的退化，因此能夠精確地判斷固體電解 質層的退化，並且能夠防止發動機失速或排放故障的發生。
在權利要求2描述的發明中，當所述內阻值變得大於或等於所述 參考值時，所述控制單元判斷所述固體電解質層劣化。
在權利要求3描述的發明中，所述退化判斷裝置具有加熱器部 分，該加熱器部分用於加熱所述固體電解質層，且所述控制單元在所 述內阻值變得大於或等於所述參考值時判斷固體電解質層劣化，且通 過控制施加到加熱部分上的電壓，將固體電解質層加熱到使所述內阻 值變為參考值的溫度。
根據此發明，可以降低固體電解質層的內阻值，並且將固體電解 質層返回到激活狀態，從而獲得正確的傳感器輸出。
在權利要求4描述的發明中，當施加到加熱器部分的電壓大於或 等於電池電壓時(所述施加的電壓與所述內阻變為參考值時的溫度對 應)，控制單元延遲判斷固體電解質層的激活狀態的判斷定時，直到
固體電解質層加熱到使所述內阻變為參考值的溫度。
根據此發明，通過等待固體電解質層的溫度增加，能夠精確地判 斷固體電解質層的退化。
在權利要求5描述的發明中，對施加到加熱器部分的電壓的控制 通過映射(map)或計算進行，所述映射或計算由固體電解質層的內 阻值、加熱器電壓和激活判斷延遲值構成。
在權利要求6描述的發明中，控制單元在參考電極和測量電極之 間施加10MHz的高頻交流電，且在固體電解質層的內阻值增加50% 或更多的情況下，控制單元判斷固體電解質層劣化。
在權利要求7描述的發明中，氧氣傳感器的退化判斷裝置配備有 參考電極和測量電極，參考電極和測量電極在它們之間保持有固體電 解質層，所述氧氣傳感器基於電動勢測量氧氣濃度，所述電動勢根據 參考電極側的氧氣分壓和測量電極側的氧氣分壓之間的差異產生，且 所述氧氣傳感器具有將氧氣積聚在參考電極側的系統，所述退化判斷 裝置具有控制單元，該控制單元通過在參考電極和測量電極之間施加 高頻交流電來檢測固體電解質層的內阻值，並且通過比較檢測到的內 阻值與參考值來判斷固體電解質層的退化。
在權利要求8描述的發明中，當所述內阻值變得大於或等於參考 值時，控制單元判斷固體電解質層劣化。
在權利要求9描述的發明中，所迷退化判斷裝置具有加熱器部 分，該加熱器部分用於加熱固體電解質層，且控制單元在所述內阻值 變得大於或等於參考值時判斷電解質層劣化，並且通過控制施加到加 熱部分的電壓，將固體電解質層加熱到使所述內阻值變為參考值的溫 度。
在權利要求10描述的發明中，當與內阻值變為參考值時的溫度 相對應的、施加到加熱器部分的電壓大於或等於電池電壓時，所述控 制單元延遲判斷固體電解質層的激活的判斷定時，直到電解質層加熱 到使內阻值變為參考值的溫度。
在權利要求ll描述的發明中，控制單元在內阻值變為大於或等
於參考值時判斷固體電解質層劣化，並且根據內阻值相對於參考值的
增量，將與氧氣傳感器的輸出值相比較的限制電平(slice level)升高 到正常值以上。
在權利要求12描述的發明中，與氧氣傳感器的輸出值相比較的 限制電平通過映射或計算被移位，所述映射或計算由固定電解質層的 內阻值、加熱器電壓、激活判斷延遲值和限制電平偏移量構成。
在權利要求13描述的發明中，控制單元在參考電極和測量電極 之間施加10MHz的高頻交流電，並且在固體電解質層的內阻值增加 50%或更多的情況下，控制單元判斷固體電解質層劣化。


圖l是示出根據本發明的內燃機系統的示意系統圖2是示出圖l所示氧氣傳感器的構造截面圖及其等效電路；
圖3是示出根據本發明的條件判斷過程的流程的流程圖4是根據本發明的退化判斷過程的流程的流程圖5是示出內阻值根據交流電的頻率變化的圖6是示出根據裝置溫度的增加內阻值的變化的圖7是解釋其中氧氣傳感器的輸出電壓的限制電平偏移的過程的圖。
具體實施例方式
本發明的退化判斷裝置能夠應用於例如圖1中所示的內燃機的 空氣燃料比控制。在下面，將參考附圖描述本發明的一個實施例的內 燃機系統。
[內燃機系統
如圖l所示，本發明該實施例的內燃機l包括作為主要元件的氣 缸5，燃料噴射閥(噴射器)7，氧氣傳感器8和控制單元(C/U) 10， 所述氣缸5具有進氣閥2、排氣閥3和火花塞4，所述燃料噴射閥7 設置在進氣口 6內，氧氣傳感器8檢測排氣口 9內的氧氣濃度，控制 單元10控制進氣閥2、排氣閥3、火花塞4和燃料噴射閥7的操作。
另外，溫度傳感器11，負載傳感器12和發動機速度傳感器13 與控制單元10相連，所述溫度傳感器ll感測發動機操作溫度，如內 燃機l的發動機冷卻劑溫度、潤滑油溫度和外部空氣溫度，所述負載 傳感器12檢測內燃機1的負栽，如節流閥開度，發動機速度傳感器 13檢測內燃機1的轉數。控制單元IO構造為由這些傳感器檢測的信 息輸入到控制單元10內。
另外，如圖2所示，氧氣傳感器8具有測量電極22和參考電極 23，測量電極22和參考電極23在它們之間保持有固體電解質層21。 氧氣傳感器8基於電動勢"V"檢測氧氣濃度，所述電動勢"V"通過在 測量電極22和參考電極23之間施加偏壓"VO"，根據參考電極23 — 側的氧氣分壓和測量電極22 —側的氧氣分壓的差異產生。所迷固體 電解質層21形成為使得該固體電解質層21能夠被加熱器部分24加 熱和激活，所述加熱器部分24通過施加的電壓加熱。
這裡， 一般而言，當形成氧氣傳感器8的固體電解質層21的內 阻值"R1"(見圖2B)由於留在排出氣中的Si導致的催化劑中毒而增 加(劣化)時，或者當固體電解質層21的內阻值"R1"因為固體電解 質層21的溫度不快速升高而難以降低時，氧氣傳感器8的輸出值"V" 變大。
由此，通過傳統退化判斷方式，由於上述原因，儘管氧氣傳感器 8的輸出值"V，，變大的事實，固體電解質層21也判斷為被激活。換言 之，儘管是稀狀態，該狀態也被判斷為濃狀態，且因此這可能導致發 動機失速或排放故障。
因此，在此內燃機l內，控制單元IO執行下列條件判斷過程和 退化判斷過程，且由此精確地檢測固體電解質層21的退化。下面， 將參考圖3和圖4描述控制單元10在執行這些條件判斷和退化判斷 過程時的操作.
條件判斷操作
首先，將參考圖3所示的流程圖解釋控制單元10在執行條件判
斷過程時的操作，在條件判斷過程中判斷用於固體電解質層21的退 化判斷的開始的條件是否得到滿足。
在圖3的流程圖中，當車輛的點火開關接通(ON)時，程序開 始，且條件判斷過程的程序進行到步驟S1。
在步驟Sl的過程中，控制單元10從發動機速度傳感器13的檢 測結果判斷內燃機l是否旋轉。當內燃機l旋轉時，條件判斷過程的 程序通過控制單元10進行到步驟S2。
在步驟S2的過程中，控制單元10由溫度傳感器11的檢測結果 判斷內燃機l的發動機冷卻劑溫度是否在規定的範圍內。作為判斷的 結果，當發動機冷卻劑溫度不在規定的範圍內時，條件判斷過程的程 序通過控制單元10返回到步驟S1。另一方面，當發動機冷卻劑溫度 位於規定的範圍內時，程序通過控制單元10進行到步驟S3。
在步驟S3的過程中，控制單元10判斷規定的空氣燃料比(1) 控制條件是否建立。作為判斷的結果，當所述空氣燃料比控制條件沒 有建立時，條件判斷過程的程序通過控制單元10返回到步驟S1。另 一方面，當空氣燃料比控制條件建立時，程序通過控制單元10進行 到步驟S4。
在步驟S4的過程中，控制單元判斷發動機曲軸是否旋轉。作為 判斷的結果，當發動機曲軸沒有旋轉時，條件判斷過程的程序通過控 制單元返回到步驟Sl。另一方面，當發動機曲軸旋轉時，控制單元 IO判斷退化判斷條件建立，且條件判斷過程的循環終止。
[退化判斷過程I
下面將參考圖4所示流程圖解釋控制單元10在執行退化判斷過 程時的操作，所述退化判斷過程判斷固體電解質層21的退化。
在圖4的流程圖中，當在條件判斷過程中退化判斷條件被判斷為 建立時程序開始，且退化判斷過程的程序進行到步驟Sll。
在步驟Sll的過程中，控制單元10將大約10MHz的高頻交流 電施加到氧氣傳感器，並且檢測固體電解質層21的內阻值(體電阻 值)"R1"預定次數(例如100次)。
這裡，如圖5A所示，與新的氧氣傳感器的內阻值相比，通過由 於Si引起的催化劑中毒或通過熱循環而劣化的氧氣傳感器的內阻值 通常變大。另外，如圖5B所示，通常已知的是當在氧氣傳感器8 的測量電極22和參考電極23之間施加交流電時，電極的退化能夠從 低頻區域中的內阻值檢測到，且固體電解質層21的退化能夠從高頻 區域中的內阻值檢測到。
結果，如上所迷，通過將大約10MHz的高頻交流電施加到氧氣 傳感器，能夠檢測固體電解質層21的內阻值"R1"。通過此過程，步 驟Sll結束，且退化判斷過程的程序進行到步驟S12。
在步驟S12的過程中，控制單元10計算由該過程在步驟Sll檢 測的內阻值"Rl，，的平均值作為體電阻平均值"Rav"。通過此過程，步 驟S12結束，且退化判斷過程的程序進行到步驟S13。
在步驟S13的過程中，控制單元10將由該過程在步驟S12計算 的體電阻平均值"Rav"與內阻值"Rl，，的初始數振(參考值)比較，然 後判斷固體電解質層21是否劣化。
更具體地，在體電阻平均值"Rav，，相對於參考值變化50%以上 (50%或更大的變化)的情況下，控制單元10判斷固體電解質層21 劣化。由此，作為判斷的結果，在固體電解質層21沒有劣化的情況 下，控制單元10結束退化判斷過程的循環，且程序進行到通常控制 模式，該通常控制模式判斷電極的退化。另一方面，在固體電解質層 21劣化的情況下，退化判斷過程的程序通過控制單元10進行到步驟 S14。
在步稞S14的過程中，控制單元10參考示出體電阻平均值"Rav，， 和加熱器電壓之間的關係的映射，並讀取與由該過程在步驟S12計算 出的體電阻平均值"Rav"相對應的加熱器電壓。然後，控制單元10將 讀取的加熱器電壓施加到加熱器部分24，從而加熱固體電解質層21， 直到內阻值"R1"變為參考值。如圖6所示，固體電解質層21的內阻 值"R1，，通常根據傳感器(裝置)溫度的增加而降低。因此，通過此過 程，固體電解質層21的內阻值"R1"能夠降低，且固體電解質層21能
夠返回到激活狀態。
這裡，在讀取的加熱器電壓大於或等於電池電壓的情況下，控制
單元10將電池等同電壓施加到加熱器部分24。然而，由於大於電池 電壓的電壓不能夠被施加到加熱器部分24，控制單元10判斷需要用 於使固體電解質層21的內阻值"R1"變為參考值的時間，且退化判斷 過程的程序進行到步驟S15。另一方面，在讀取的加熱器電壓小於電 池電壓的情況下，控制單元10結束退化判斷過程的循環，且程序進 行到判斷電極的退化的通常控制模式。
在步驟S15的過程中，控制單元10參考示出體電阻平均值"Rav" 和激活延遲之間的關係的映射，並且讀取與由該過程在步驟S12計算 出的體電阻平均值"Rav"對應的激活延遲值。然後，控制單元10將激 活判斷定時延遲讀取的激活延遲值。
利用此過程，激活判斷定時能夠被延遲直到固體電解質層21的 溫度升高，且能夠準確地判斷固體電解質層21的激活狀態。
通過此過程，步驟S15結束，且退化判斷過程的程序進行到步驟
S16.
這裡，在氧氣傳感器8不是像圖2所示的傳感器的偽參考電極類 型的情況下，控制單元10結束退化判斷過程的循環，且程序進行到 判斷傳感器的退化的通常控制模式。
在步驟S16的過程中，控制單元10參考示出體電阻平均值"Rav，， 和限制電平(S/L)偏移量之間的關係的映射，並且讀取與由該過程 在步驟S12計算出的體電阻平均值"Rav"相對應的限制電平偏移量。 然後，控制單元10將氧氣傳感器8的輸出電壓"V"的限制電平偏移所 讀取的偏移量(見圖7)。
更具體地，控制單元10利用內阻值"R1"的變化，將所述限制電 平偏移氧氣傳感器8的輸出電壓"V"的移位量。通常，在氧氣傳感器 8是偽參考電極類型的情況下，難以通過該過程在步驟S15將體電阻 平均值"Rav"降低到參考值。然而，通過此過程，可以將氧氣傳感器 8的輸出電壓"V"調節到實際的電壓，且能夠準確地判斷固體電解質
層21的激活狀態。通過此過程，退化判斷過程的循環終止。
從上面的解釋清楚地看到，在本實施例中，控制單元10通過在 參考電極23和測量電極22之間施加高頻交流電來檢測固體電解質層 21的內阻值"R1"。然後，控制單元10通過比較檢測的內阻值"R1" 的體電阻平均值"Rav，，與參考值來判斷固體電解質層21的退化。因 此，能夠準確地判斷固體電解質層21的退化，且能夠防止發動機失 速和排放故障。
另外，在本實施例中，當內阻值"Rl"的體電阻平均值"Rav，，變得 大於或等於參考值時，控制單元10判斷固體電解質層21劣化。然後， 控制單元10通過控制施加到加熱器部分24的電壓，將固體電解質層 21加熱到使內阻值"R1，，變為參考值的溫度。因此，可以降低固體電 解質層21的內阻值"R1"，且將固體電解質層21返回到激活狀態，從 而獲得正確的傳感器輸出。
另外，在本實施例中，當與內阻值"R1"變為參考值時的溫度相 對應的施加電壓大於或等於電池電壓時，控制單元10延遲判斷固體 電解質層21的退化的定時。因此，通過等待傳感器溫度升高，能夠 準確地判斷固體電解質層21的退化。
而且，在本實施例中，當內阻值"Rl"的體電阻平均值"Rav，，變得 大於或等於參考值時，控制單元10判斷固體電解質層21劣化，然後， 控制單元10根據內阻值"R1"相對於參考值的增量，將與氧氣傳感器 的輸出值"V，，相比較的限制電平升高到正常值以上。因此，能夠準確 地判斷固體電解質層21的退化。
最後，從上述實施例可以理解的技術構思而不是權利要求，與它 們的效果一起將在下面被描述。
(i)如權利要求1-4中任一項所述的氧氣傳感器的退化判斷裝 置，其中在通過在參考電極和測量電極之間施加10MHz的高頻交流 電，使得固體電解質層的內阻值相對於參考值增加50%或更多的情況 下，退化判斷裝置判斷固體電解質層21劣化。
權利要求
1、一種氧氣傳感器的退化判斷裝置，所述氧氣傳感器具有參考電極和測量電極並且基於電動勢測量氧氣濃度，所述參考電極和測量電極在它們之間保持有固體電解質層，所述電動勢根據參考電極側的氧氣分壓和測量電極側的氧氣分壓之間的差異而產生，所述退化判斷裝置包括控制單元，該控制單元通過在參考電極和測量電極之間施加高頻交流電來檢測所述固體電解質層的內阻值，並且通過比較檢測的內阻值和參考值來判斷固體電解質層的退化。
2、 根據權利要求l所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 當所述內阻值變得大於或等於所述參考值時，所述控制單元判斷所述固體電解質層劣化，
3、 根據權利要求l所述的氣氣傳感器的退化判斷裝置，進一步包括用於加熱所述固體電解質層的加熱器部分， 其中所述控制單元在所述內阻值變得大於或等於所述參考值時判斷 所述固體電解質層劣化，並且通過控制施加到加熱器部分的電壓，將 所述固體電解質層加熱到使所述內阻值變為所述參考值的溫度。
4、 根據權利要求3所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中*. 當與所述內阻值變為所述參考值時的溫度相對應的、施加到所述加熱器部分的電壓大於或等於電池電壓時，所述控制單元延遲判斷固 體電解質層的激活狀態的判斷定時，直到所述固體電解質層加熱到使 所述內阻值變為所述參考值的溫度。
5、 根據權利要求3所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 施加到加熱器部分的電壓的控制通過映射或計算執行，其中所述映射或計算由固體電解質層的內阻值、加熱器電壓和激活判斷延遲值 構成，
6、 根據權利要求3所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 控制單元在參考電極和測量電極之間施加10MHz的高頻交流電，及在固體電解質層的所述內阻值增加50%或更多的情況下，所述 控制單元判斷所述固體電解質層劣化。
7、 一種氧氣傳感器的退化判斷裝置，所述氧氣傳感器配備有參 考電極和測量電極，所述參考電極和測量電極在它們之間保持有固體 電解質層，所述氧氣傳感器基於電動勢測量氧氣濃度並且具有將氧氣 積聚在參考電極側的系統，所述電動勢根據參考電極側的氧氣分壓和 測量電極側的氣氣分壓之間的差異而產生，所述退化判斷裝置包括控制單元，該控制單元通過在參考電極和測量電極之間施加高頻交流電來檢測所述固體電解質層的內阻值，並且通過比較檢測的內阻 值和參考值來判斷固體電解質層的退化。
8、 根據權利要求7所述的氣氣傳感器的退化判斷裝置，其中 當所述內阻值變得大於或等於所述參考值時，所述控制單元判斷所述固體電解質層劣化。
9、 根據權利要求7所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，進一步包括用於加熱所述固體電解質層的加熱器部分， 其中所迷控制單元在所述內阻值變得大於或等於所述參考值時判斷 所述固體電解質層劣化，並且通過控制施加到加熱器部分的電壓，將 所述固體電解質層加熱到使所述內阻值變為所述參考值的溫度。
10、 根據權利要求9所迷的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 當與所述內阻值變為所述參考值時的溫度相對應的、施加到所述加熱器部分的電壓大於或等於電池電壓時，所述控制單元延遲判斷固 體電解質層的激活狀態的判斷定時，直到所迷固體電解質層加熱到使 所述內阻值變為所述參考值的溫度。
11、 根據權利要求IO所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 所述控制單元在所述內阻值變為大於或等於所述參考值時判斷 固體電解質層劣化，並且根據所述內阻值相對於參考值的增量，將與 所述氧氣傳感器的輸出值相比較的限制電平升高到正常值以上。
12、 根據權利要求11所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 與氧氣傳感器的輸出值比較的限制電平通過映射或計算被移位，所述映射或計算由所述固體電解質層的內阻值、加熱器電壓、激活判 斷延遲值和限制電平偏移量構成。
13、 根據權利要求11所述的氧氣傳感器的退化判斷裝置，其中 控制單元在參考電極和測量電極之間施加10MHz的高頻交流電，以及在固體電解質層的所述內阻值增加50%或更多的情況下，所述 控制單元判斷所述固體電解質層劣化.
全文摘要
本發明涉及一種用於氧氣傳感器的退化判斷裝置，所述氧氣傳感器具有參考電極22和測量電極22且基於電動勢測量氧氣濃度，參考電極和測量電極在它們之間保持有固體電解質層，所述電動勢根據參考電極側的氧氣分壓和測量電極側的氧氣分壓之間的差異而產生。控制單元10控制進氣和排氣閥、火花塞和燃料噴射閥的操作，並且具有退化判斷裝置，該裝置通過在參考電極和測量電極之間施加高頻交流電來檢測所述固體電解質層21的內阻值R1，並且通過比較檢測的內阻值R1和參考值來判斷固體電解質層的退化。通過此判斷，能夠準確地判斷固體電解質層的退化且能夠防止發動機失速或排放故障的發生。
文檔編號G01N27/409GK101107513SQ20068000252
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月11日 優先權日2005年1月17日
發明者中村元則, 內川晶 申請人:株式會社日立製作所